高瓦斯隧道施工机械配置及防爆改装技术

高瓦斯隧道施工机械配置及防爆改装技术

张发玲

中铁三局集团第五工程有限公司 山西省晋中市 030600

摘要：随着各领域的发展越来越好，促进公路、铁路的规模不断扩大，在隧道施工中，经常会遇到含有高瓦斯的地层，按照现有施工规范的要求，对于高瓦斯工区和瓦斯突出工区的作业机械应使用防爆型。在实际的施工过程中，施工单位普遍采用以瓦斯闭锁和设备防爆改装等主要方式来满足对作业机械的防爆性能要求。

关键词：高瓦斯；隧道施工；机械配置；防爆改装技术

引言

隧道的施工建设是煤矿、铁路等工程建设中的重要组成部分，由于其施工环境的特殊性，尤其在穿越煤层的施工过程中危险性将大大提高，一旦在施工过程中引起煤层中大量瓦斯的溢出，将会使施工人员以及隧道建设处于较高的危险环境内，影响施工安全。所以，要想对隧道施工进行控制，必须以隧道施工环节的施工质量入手，全面采取有效的防治措施。

1隧道瓦斯的特性及危害

1.1瓦斯定义

所谓的瓦斯实际上是以甲烷CH4为主的有毒、有害气体的总称，就当前瓦斯的各种定义来看，瓦斯主要含有甲烷、二氧化碳、氮和数量不等的重烃以及微量的稀有气体等气体物质。

1.2瓦斯的特性及危害

（1）瓦斯特性。瓦斯气体主要具有爆炸性、燃烧性、窒息性以及剧毒性四种特性。（2）瓦斯危害。①瓦斯燃烧和爆炸。在瓦斯的众多特性中，瓦斯所具有的燃烧性以及爆炸性对人们的危害最大，即当瓦斯气体达到一定的浓度且遇到明火时，就会发生爆炸和燃烧。②瓦斯窒息。甲烷的窒息性也是当前造成瓦斯隧道施工人员伤亡事件的主要原因，虽然瓦斯的主要组成成分甲烷并不具有毒性，但是当瓦斯中的甲烷达到一定浓度后，就会挤压空气中氧气的含量，一旦甲烷充斥整个隧道，那就会使得工人呼吸困难，出现窒息情况。

2防爆型作业机械的应用现状

目前国内生产防爆型机械的企业数量不在少数，已经取得防爆合格证的作业机械，类型和规格型号也为数众多，如装载机、挖掘机、自卸汽车、混凝土搅拌运输车等。但是现有的这些防爆型设备都明显存在着功率偏小、施工能力有限等不足之处，比如配置内燃柴油机的装载机，现有防爆机型的最大功率都在60kw以下，额定载重量不大于2t（约1.0m3）；挖掘机斗容量不大于0.5m3，自卸汽车最大载重量为8-10t，混凝土搅拌运输车最大容量不大于2m3。这样的施工能力，与国内公路、铁路隧道施工常规配置的2.3m3以上的装载机，1.0m3以上的挖掘机，20t以上的自卸汽车，8m3以上的混凝土搅拌运输车等设备相比较，其施工能力基本属于微不足道了，根本满足不了现场的施工要求和工期需要。而对于电动施工设备，因为目前蓄电池技术还处于起步阶段，普遍存在着持续时间差强人意，所以生产电动施工机械的厂商少之又少，仅个别国际领先企业如卡特彼勒、沃尔沃、比亚迪等公司正在研发和试制大型电动施工设备。

3施工单位目前的应对措施

3.1瓦斯闭锁模式

瓦斯闭锁模式，主要是在施工的机械设备上安装瓦斯检测仪器，实时监测施工机械工作区域内的瓦斯浓度，当瓦斯浓度大于预先设定的警戒线时（一般为0.5%），报警器发出声光报警，提示机械操作人员立即熄火停机，撤离危险区域。如果操作人员未执行停机或出现误操作，控制系统会在发出报警信号后预设时间内（一般为60秒），通过自动装置强制断电断油，迫使作业机械停机。当工作区域瓦斯浓度降低至安全范围内后，机械不会自动重启，必须经过手动恢复才能重新启动；在工作区域内瓦斯浓度还没有降到安全范围内时，控制系统会自动锁死，即使手动复位也无法启动。瓦斯闭锁模式的优点是：（1）改装简单快捷，维护方便、难度小，成本低廉。系统运行稳定可靠，故障率低。改装范围小，对机械的原有系统性能基本没有影响。实现自动控制，防止人为因素和误操作。（2）适用范围广，可以通过简单地换用不同的监测仪器来实现对硫化氢、一氧化碳、二氧化碳等多种有害气体，或爆炸性粉尘等进行安全防护。瓦斯闭锁模式的缺点是：（1）作业机械本身不具备防爆性能。（2）不能满足瓦斯突出工区的使用要求。瓦斯闭锁模式优点突出，效果明显，得到了大多数单位的青睐和认可，被各施工单位广泛采用。

3.2防爆改装模式

防爆改装模式是指对作业机械的各个主要组成系统进行防爆改造，使其本身具有一定程度的防爆性能。目前主要是对机械的动力系统和电气系统进行改装，包括改装进气系统，防止发动机回火；改装排气系统，降低机体表面温度，消除排气火焰和火花；改装电气系统，采用防爆发电机、防爆启动马达、防爆灯具和开关等；改装控制系统，随时监测防爆功能是否正常运行等。防爆改装模式的优点是：（1）作业机械具备了局部防爆性能，提高了机械的安全性。（2）有效扩大了作业机械的使用范围，比如在瓦斯突出工区。防爆改装模式的缺点是：（1）机械只有局部防爆性能，依然达不到防爆设备的标准。（2）改装成本高。（3）改装技术难度大。（4）对机械原有性能影响大，机械效率下降明显。（5）维护难度大，成本高，系统可靠性差。防爆改装模式是施工单位在高瓦斯隧道施工方法探索的过程中，早期的一种应对措施。

4装碴运输设备防爆改装及使用管理

4.1防爆改装的原理

当防爆系统启动后，如果施工环境瓦斯浓度达到系统设定的危险临界值时（比如按照有关规定设定为0.3%），报警器发出声光报警，施工人员立即停止作业并查明原因，原因查明并排除后方可恢复作业，从而能够提前处置危险。当出现瓦斯浓度急剧上升或者是施工现场未及时进行人工处置等极端情况时，一旦瓦斯浓度达到系统设定危险极限值0.5%后，系统将强行对机械断油熄火，杜绝爆炸事故发生。

4.2防爆改装关键技术

4.2.1动力系统改装

动力系统主要由防爆柴油机、进气系统、柴油机冷却系统、废气处理系统等组成。其改装要点有以下几点。（1）防爆电启动柴油机。（2）由水夹层波纹管、水夹层排气管、补水箱、废气处理箱等组成废气处理系统。柴油机排出的废气由水夹层排气管、水夹层波纹管引入废气处理箱，并对废气处理箱的安装误差进行补偿。废气处理箱的作用是进一步冷却和洗涤废气，清除炭烟及溶解废气中的部分有害气体，并经防爆栅栏熄灭废气中的火焰，以保证废气排放应符合煤标及排气安全。（3）进气系统进气波纹管、空气滤清器、进气防爆栅栏组成。柴油机气缸火焰返火由进气防爆栅栏灭火。（4）通过封闭强制循环水冷式系统降低发动机温度，包括风扇、散热器、水泵等，其中散热器主要用于降低冷却水的温度。

4.2.2电气系统改装

电气系统主要包括防爆发电机、机车照明等。防爆发电机由柴油机提供动力，为照明及安全保护装置提供电源。两个防爆照明灯分别设置在机车前后，车尾设置两红色信号灯。

4.3改装设备使用管理

（1）出厂控制。改装厂家必须在防爆性能检测合格后，瓦斯防爆改装合格证或检验报告，并将“防爆”标示张贴在改装部件外壳醒目位置后方可出厂。（2）进场检验。改装后的设备必须要有政府质量技术监督检测机构出具的现场检验合格证书后方可投入使用。（3）使用管理。项目部成立以物机部长为组长的防爆改装设备管理领导小组，负责防爆改装设备的日常维保，配置专职的维护人员，每周至少要有不少于1次的检查，发现失效部件立即更换，确保改装设备正常运行，确保瓦斯突出隧道施工安全。

结语

优化作业机械设备配置，选择精干的机械设备非常重要，对控制改装工作量，提高工作效率，降低事故概率起到重要的作用。

参考文献

[1]宋忱.高瓦斯长大隧道施工中瓦斯防治及安全管理分析[J].建筑技术开发,2019,45(22):114-116.

[2]崔波,张睿.谈公路瓦斯隧道施工风险的控制措施[J].工程建设与设计,2020(17):273-275.